細胞生物學(xué)實驗教學(xué)的改革及創(chuàng)新

黃 萱， 付愛根， 趙宇瑋， 李軍林， 嚴興榮

(西北大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院 西部資源與現(xiàn)代生物技術(shù)省部共建教育部重點實驗室 陜西省生物技術(shù)重點實驗室， 西安 710069)

細胞生物學(xué)作為生命科學(xué)領(lǐng)域中最活躍最富有發(fā)展前景的學(xué)科之一，被廣泛地用于研究細胞的各種生命活動。目前許多綜合大學(xué)，以及農(nóng)業(yè)、醫(yī)學(xué)、藥科大學(xué)將細胞生物學(xué)作為本科生和研究生的必修課或基礎(chǔ)理論課，而與其相應(yīng)的細胞生物學(xué)實驗課對理解理論知識，培養(yǎng)綜合能力具有重要作用。通過教學(xué)改革的深入貫徹，我們發(fā)現(xiàn)學(xué)生不僅可以很好地理解細胞生物學(xué)的研究方法和技術(shù)手段，還可以主動思考，學(xué)生的綜合素質(zhì)、專業(yè)視野和科研素養(yǎng)都得到了鍛煉和提高。

1 本校細胞生物學(xué)實驗教學(xué)存在的問題

細胞生物學(xué)是一門實踐性很強的學(xué)科，理論知識和實踐操作緊密結(jié)合[1]。創(chuàng)新改革前，我校的細胞生物學(xué)實驗教學(xué)課程遠落后于理論教學(xué)，實驗內(nèi)容主要是驗證性基礎(chǔ)實驗,實驗之間相互聯(lián)系不大,缺乏綜合性和創(chuàng)新性,同時,實驗技術(shù)手段相對落后,細胞生物學(xué)科的新技術(shù)、新方法無法體現(xiàn)。

這種模式有以下幾方面的弊端：1) 缺乏積極性。對于實驗內(nèi)容，學(xué)生處于被動接受的地位，難以調(diào)動主動學(xué)習(xí)的積極性[2]。2)沒有培訓(xùn)自主實驗?zāi)芰ΑW(xué)生按照實驗步驟進行實驗，如果實驗失敗或者出現(xiàn)和預(yù)期不一樣的結(jié)果，不知道問題出在哪里，不能對所得到的結(jié)果進行分析。3)與課堂知識脫節(jié)。細胞生物學(xué)各種新發(fā)現(xiàn)和新成果通常可以迅速地反映在課堂，通過老師的擴展教學(xué)介紹給大家，但是絕大多數(shù)情況下無法在實驗課堂中體現(xiàn)，不能和新知識緊密結(jié)合，從而不能引起學(xué)生的探索欲望。4)綜合科研素養(yǎng)得不到發(fā)展。沒有綜合性創(chuàng)新性實驗的鍛煉，學(xué)生缺乏展現(xiàn)自我的舞臺,缺乏學(xué)習(xí)成就感。隨著細胞生物學(xué)科的迅猛發(fā)展，對實驗教學(xué)的要求越來越高，實驗教學(xué)中綜合性實驗的缺失使這些弊端更加突顯[3]。

2 實驗教學(xué)的改革措施

2.1 實驗教學(xué)內(nèi)容的合理調(diào)整

2.1.1 基礎(chǔ)性實驗、綜合性實驗和創(chuàng)新性實驗的合理搭配

在實驗教學(xué)過程中，我們根據(jù)細胞生物學(xué)的內(nèi)容特點，將實驗劃分為基礎(chǔ)性實驗、綜合性實驗和創(chuàng)新性實驗。基礎(chǔ)性實驗屬于觀察性實驗或技術(shù)方法實驗，與課本的知識點緊密對應(yīng)，重在培養(yǎng)學(xué)生的基本實驗操作。這些實驗安排在整個學(xué)期的前半部分，與細胞生物學(xué)的課堂教學(xué)同步。通過學(xué)生在實驗操作中的動手實踐，幫助學(xué)生理解和掌握細胞生物學(xué)的理論知識。在完成基礎(chǔ)觀察驗證實驗之后，我們逐步引入綜合性和創(chuàng)新性實驗[4]。和基礎(chǔ)性實驗主要是重現(xiàn)單一知識點不同，綜合性實驗通常是某一章節(jié)或某幾個章節(jié)的綜合體現(xiàn)，培養(yǎng)學(xué)生針對實驗內(nèi)容和結(jié)果進行分析和操作，使學(xué)生能夠在實踐中用所學(xué)過的理論知識和實驗技能解決實際科學(xué)問題[5]。創(chuàng)新性實驗旨在綜合開發(fā)和提高學(xué)生探索生命現(xiàn)象、研究問題的能力，利用現(xiàn)有的本科創(chuàng)新改革平臺，學(xué)生根據(jù)自身興趣來設(shè)計研究方向，在輔導(dǎo)老師的引導(dǎo)下完成科學(xué)研究。我們將實驗內(nèi)容進行了合理的增減及整合, 將部分驗證性實驗進行了內(nèi)容上的合并,此外,還增設(shè)了一些綜合性和研究性很強的實驗, 如新增設(shè)的細胞凋亡檢測實驗和動物組織干細胞的分離和誘導(dǎo)分化實驗。

2.1.2 創(chuàng)新性科學(xué)研究與實驗教學(xué)的融合

對于不滿足教學(xué)實驗而且科研能力突出的學(xué)生，我們鼓勵他們根據(jù)自身興趣和關(guān)注點來申請各種大學(xué)生科研項目，如大學(xué)生創(chuàng)新項目、本科基地能力提高項目等科研能力訓(xùn)練項目,沒有申請到項目的同學(xué)可以根據(jù)對任課老師的了解而加入教師的課題進行鍛煉[6]。學(xué)生積極參與各類科學(xué)研究充分地展現(xiàn)了他們的熱情和無限可能的塑造能力，各類學(xué)生項目從選題、設(shè)計實驗方案到展示匯報，全部是在老師的指導(dǎo)下由學(xué)生獨立提出、實施和完成。從以往申請的項目內(nèi)容來看，絕大多數(shù)項目都與細胞生物學(xué)內(nèi)容相關(guān)，或者屬于細胞生物學(xué)與其他專業(yè)的交叉科研項目。這樣的項目、課題為學(xué)生們提供了強烈的代入感和自豪感，提供了展現(xiàn)自我的舞臺，體現(xiàn)了細胞生物學(xué)、生命科學(xué)的魅力，形成了很大一部分學(xué)生最初的科研素養(yǎng)和科研追求，甚至影響他們今后的職業(yè)和理想選擇。

2.2 教學(xué)方式的有效調(diào)整

2.2.1 啟發(fā)式、討論式及提問式教學(xué)的引入

我們將討論式和提問式教學(xué)方法引入到基礎(chǔ)驗證實驗教學(xué)中，同時采用多媒體、幻燈及傳統(tǒng)板書等多種教學(xué)方法[7]，使教學(xué)具體生動，學(xué)生可以更好地理解實驗方法和原理。通過討論、提問等互動環(huán)節(jié)，充分調(diào)動學(xué)生的求知欲和好奇心，讓他們將課堂的知識點與實驗結(jié)果有機地聯(lián)系起來，加深理解印證。在實驗之前要求學(xué)生首先了解實驗原理, 明確實驗?zāi)康? 激發(fā)他們的學(xué)習(xí)興趣與探索欲望。 在實驗過程中，教師有計劃分步驟地將實驗內(nèi)容以發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的形式提出，學(xué)生以問題為出發(fā)點開始進行實驗。在解決問題的過程中，融合一系列和問題有關(guān)的知識點。當學(xué)生完成實驗后，就可以回答之前對于實驗的思考。針對實驗結(jié)果, 鼓勵學(xué)生分組討論，分析造成結(jié)果差異的原因，啟發(fā)學(xué)生查閱相關(guān)知識點，找到改善實驗結(jié)果的方法。教師對學(xué)生提出的問題進行解答，彌補學(xué)生考慮不周的地方，確保實驗教學(xué)流暢進行。

2.2.2 開放式教學(xué)的實現(xiàn)

開放式研究型教學(xué)是激發(fā)學(xué)生的求知欲、提高實驗技能、培養(yǎng)創(chuàng)新能力，以及全面提升學(xué)生綜合素質(zhì)的重要教學(xué)手段[8-9]。在調(diào)研了學(xué)生的實際水平和改進了細胞生物學(xué)教學(xué)實驗室的實驗條件后，我們將綜合性實驗進行了多重開放式設(shè)計。如我院特色綜合實驗植物基因工程單元，學(xué)生可以挑選感興趣的植物品種，如玫瑰、菊苣、白背三七、秦艽等具有本院特色的植物作為材料進行組織培養(yǎng)及基因工程實驗。開始實驗前，學(xué)生需要系統(tǒng)查閱與植物組織、細胞培養(yǎng)相關(guān)的文獻資料,進行植物組織培養(yǎng)。學(xué)生自主設(shè)計各種誘導(dǎo)培養(yǎng)基的激素成分和配比，對外植體進行誘導(dǎo)及分化培養(yǎng)，獲得愈傷組織及再生植株。同時對外植體進行農(nóng)桿菌轉(zhuǎn)化操作及原生質(zhì)體電融合等實驗操作。我們也可以選擇不同的實驗技術(shù)來驗證知識點，如新開的細胞凋亡檢測實驗, 讓同學(xué)們自主選擇啟動細胞凋亡的處理方式以及檢測方式，包括紫外照射或者H2O2處理細胞，DNA ladder電泳檢測及不同染色方法的細胞染色觀察。通過這些開放式教學(xué)的引入，對學(xué)生進行綜合性科學(xué)實驗訓(xùn)練，并且能讓他們在實驗操作中獲得樂趣，進而加深印象，對知識和實驗技術(shù)靈活運用。

整個實驗過程呈現(xiàn)高度開放狀態(tài)，這種開放式教學(xué)方式使學(xué)生得到了全面的科學(xué)能力訓(xùn)練, 培養(yǎng)了學(xué)生主動思考、提升能力和良好的求實科研作風, 為后繼的持續(xù)性科研活動，如多種形式的創(chuàng)新性研究項目的申報、實施和完成奠定了良好的基礎(chǔ)。

2.3 高素質(zhì)教學(xué)梯隊的建設(shè)

教師是進行教學(xué)改革、培養(yǎng)高素質(zhì)綜合人才的組織者、實施者和管理者。因此, 實驗課教學(xué)質(zhì)量的高低與教師的業(yè)務(wù)素質(zhì)、敬業(yè)精神和組織能力直接相關(guān)[10],從事實驗教學(xué)的教師必須具有良好的教學(xué)和科研素質(zhì)，積極參與和教學(xué)相關(guān)的科研工作,在實際教學(xué)中不斷總結(jié)經(jīng)驗, 開發(fā)教學(xué)課題,才能保證實驗教學(xué)的及時更新。為此，整個教學(xué)團隊需要高度重視實驗課教學(xué)，及時交流教學(xué)經(jīng)驗和心得，不斷提高教學(xué)和科研水平，不斷改進教學(xué)內(nèi)容，盡可能地利用各種方式體現(xiàn)細胞生物學(xué)科中的新技術(shù)、新理論，努力營造良好的科學(xué)氛圍，擴展學(xué)生的知識面。

近年來, 細胞生物學(xué)課程實施了重大的教學(xué)改革,師資力量建設(shè)被放在十分重要的地位, 通過吸納具有博士學(xué)位及海外學(xué)習(xí)背景的高學(xué)歷青年人才加入細胞生物學(xué)課程組,使師資結(jié)構(gòu)趨于合理。目前,我院已經(jīng)形成了一支由多位中青年骨干教師組成的教師團隊，具有較高科研能力、創(chuàng)新精神和教學(xué)水平。課程組現(xiàn)有專職教師10人, 其中6人具有1年及以上的海外頂尖大學(xué)留學(xué)或訪學(xué)背景。全體老師共同參與細胞生物學(xué)課堂教學(xué)和實驗教學(xué),并定期開會討論課程進度及學(xué)生對課程理解的反饋，實現(xiàn)課堂知識與實驗教學(xué)的完美銜接，保證了教學(xué)質(zhì)量。在課程結(jié)束后，會進行問卷調(diào)查，了解學(xué)生對各章節(jié)及實驗設(shè)計、實驗操作的個人感受，分析教學(xué)成效。同時, 學(xué)校鼓勵教師去國內(nèi)知名大學(xué)進行系統(tǒng)的聽課培訓(xùn)和參加教學(xué)研討班來提高教師尤其是青年教師的業(yè)務(wù)水平。提倡教師不斷改革教學(xué)手段和方法, 最大限度地發(fā)揮實驗教師的主觀能動性。

2.4 實驗教學(xué)平臺的改善

實驗教學(xué)水平的提高離不開實驗條件的支持,完善的教學(xué)平臺可以極大地提高學(xué)生基礎(chǔ)實驗技能，必須充分利用實驗室現(xiàn)有設(shè)備, 并不斷增加新儀器設(shè)備, 改善場所建設(shè)，完善實驗條件[11]。目前我院依托“211”學(xué)科建設(shè)、“基地能力提高項目”，以及“西北大學(xué)教學(xué)實驗室新建項目”等資金支持，細胞生物學(xué)實驗室建設(shè)發(fā)展迅速，實驗條件大為改觀，先后添置了熒光顯微鏡、倒置顯微鏡等多種顯微鏡、實時定量PCR 儀、超純水裝置、凝膠成像系統(tǒng)、超凈工作臺、各種離心機、電泳儀等儀器設(shè)備，并重新修建了動植物組織和細胞培養(yǎng)室，逐漸形成了一個實驗條件相對完善的教學(xué)場所,為本科教學(xué)改革的實施提供了舞臺。

2.5 實驗成績考核評估體系的建立

建立完善的成績評定體系是保證實驗教學(xué)質(zhì)量的關(guān)鍵[12]。以往我們的考評標準主要是實驗報告完成情況，不能很好地了解學(xué)生的課堂接受度，也評估不了教學(xué)效果。為此，我們增加了考核內(nèi)容，嚴格、全面地實行實驗考核評估體系。通過考查實驗考試、實驗結(jié)果、出勤率、實驗報告等方面來評定細胞生物學(xué)實驗成績；另外，我們將創(chuàng)新實驗和綜合實驗中的學(xué)生表現(xiàn)也放入考核成績內(nèi)容，對于自主性強、有科研意識且取得成果的學(xué)生給予加分，最大可能地調(diào)動學(xué)生“主動學(xué)、要求學(xué)”的競爭態(tài)度。整個實驗成績占到細胞生物學(xué)課程總成績的20%～30%。

全面綜合的評價方式增強了學(xué)生對細胞生物學(xué)實驗課的重視,從“上課抄實驗報告等下課”變成了積極動手做實驗，激發(fā)了學(xué)習(xí)的積極性，收到了很好的效果。我們考評體系增設(shè)的實驗考試環(huán)節(jié)主要是對本學(xué)期已經(jīng)完成的實驗基本原理和操作方法等內(nèi)容進行考核。考試設(shè)計有3種基礎(chǔ)實驗內(nèi)容及相關(guān)原理提問環(huán)節(jié)，學(xué)生抽號進入考試場地，獨立完成整個考核內(nèi)容和提問回答。增加的實驗考試環(huán)節(jié)是學(xué)生對細胞生物學(xué)的基本實驗操作的掌握及相關(guān)知識點的回顧，考查學(xué)生的基本功，促使學(xué)生遵守紀律，養(yǎng)成良好的復(fù)習(xí)習(xí)慣。實驗考核不僅反映學(xué)生對實驗的掌握程度，也是對實驗教學(xué)效果的檢驗，教師可以依據(jù)每年考核結(jié)果不斷改革教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法，以取得理想的教學(xué)效果。

3 實驗教學(xué)改革中應(yīng)當注意的問題

3.1 指導(dǎo)教師的引導(dǎo)作用

無論是基礎(chǔ)實驗、綜合實驗還是創(chuàng)新性實驗，教師在其中的引導(dǎo)作用都很重要。在整個實驗教學(xué)實施過程中，教師從實驗準備、實驗設(shè)計、實驗過程到實驗結(jié)果分析等環(huán)節(jié)全程指導(dǎo)學(xué)生，給予思想上的引導(dǎo)和具體實驗步驟的糾正，及時和學(xué)生溝通以保證實驗的順利進行[13]。

在綜合實驗及創(chuàng)新性實驗中，實驗教學(xué)老師的指導(dǎo)更是體現(xiàn)在方方面面。指導(dǎo)學(xué)生分組進行實驗設(shè)計，并且與學(xué)生討論實驗設(shè)計的可行性，對設(shè)計有缺陷的實驗要提出疑問，讓學(xué)生自行發(fā)現(xiàn)問題關(guān)鍵，及時查閱文獻進行修改。對于可以進行的實驗設(shè)計要求進一步完善實驗步驟，對有可能失敗的環(huán)節(jié)設(shè)計出補救措施。這樣既能保證教學(xué)實驗的順利開展又可以確保學(xué)生在實驗設(shè)計階段得到鍛煉。綜合性和創(chuàng)新性實驗結(jié)束后, 教師要求每位同學(xué)對實驗結(jié)果進行反饋及發(fā)散思考, 并對實驗結(jié)果進行充分的討論與分析，最后以科學(xué)論文的形式提交。學(xué)生在完成這類研究論文時也需進行全程指導(dǎo)，教師要對論文提供指導(dǎo)和修改。

3.2 加強實驗教學(xué)與課本知識點的聯(lián)系

由于學(xué)科本身的特點，細胞生物學(xué)的知識點多且散，學(xué)生需要很好地理解力才能掌握。為此，需要引導(dǎo)學(xué)生把實驗?zāi)康暮驼n本所學(xué)知識、方法相聯(lián)系，融會貫通。正是通過學(xué)生在實驗之前參與實驗準備和實驗設(shè)計，將知識點與具體操作結(jié)合在一起，在實驗結(jié)束時通過分組討論和教師提問等多種方式，讓學(xué)生理解知識點和實驗結(jié)果之間的關(guān)系，將抽象的知識具體化、形象化，便于理解。并且通過綜合性實驗和創(chuàng)新性實驗使學(xué)生產(chǎn)生發(fā)散思維，將眾多知識點聯(lián)系起來，形成可塑的立體記憶。將相關(guān)的知識點和原理設(shè)計到實驗中，實驗加深知識點的理解和記憶，知識點解釋還原實驗結(jié)果，兩者緊密聯(lián)系、相輔相成。通過跟蹤調(diào)查，我們發(fā)現(xiàn)學(xué)生對課程知識有了更深入的認識，并且極大地加強了實際動手能力及獨立自主的科研素養(yǎng)。

4 結(jié)語

高等教育教學(xué)改革的精髓就是調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的熱情，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和綜合素質(zhì)，培養(yǎng)適合現(xiàn)代生命科學(xué)發(fā)展需要的創(chuàng)新型人才。實驗教學(xué)模式的改革正是響應(yīng)這一變革的積極應(yīng)對。我們教學(xué)模式的改革通過調(diào)整教學(xué)內(nèi)容、改進教學(xué)方式以及精煉教學(xué)團隊等方式取得了初步成果，尤其是在西北大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院細胞生物學(xué)新建實驗平臺上，綜合性實驗及創(chuàng)新性實驗的引入，對學(xué)生的培養(yǎng)起到了很大的推動作用，培養(yǎng)學(xué)生最初的科學(xué)素養(yǎng)和自信心。

細胞生物學(xué)科的特點決定實驗環(huán)節(jié)的重要性和內(nèi)容的繁雜性, 既有基礎(chǔ)經(jīng)典理論,又有發(fā)展迅速的新技術(shù)新方法,要處理好基礎(chǔ)性實驗和創(chuàng)新性實驗的關(guān)系，針對不同層次的學(xué)生選擇適合的實驗，開展多樣的授課方式，積極調(diào)動學(xué)生的主動性，逐步訓(xùn)練學(xué)生的思考能力和創(chuàng)新能力[14]。 因此，處理好經(jīng)典與前沿、基礎(chǔ)與先進之間的關(guān)系并及時推出與之相對應(yīng)的實驗教材是我們始終需要考慮的問題。學(xué)生的積極性如何被調(diào)動？大型儀器如何合理的進入本科實驗室并得到有效利用？學(xué)科知識如何體現(xiàn)在綜合性和創(chuàng)新性的實驗中？這些問題都需要進一步深入研究和探討。

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